Computers op basis van kwantummechanische principes kunnen bepaalde taken bijzonder efficiënt oplossen. Hun informatiedragers, de zogenaamde qubits, hebben niet alleen de waarden "0" en "1, " maar staat ook daar tussenin, superpositiestaten genoemd. Echter, het handhaven van een dergelijke staat is moeilijk. Wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben nu granulair aluminium (bijgenaamd grAl) gebruikt voor qubits en hebben aangetoond dat dit supergeleidende materiaal een groot potentieel heeft om de eerdere beperkingen van kwantumhardware te overwinnen. De onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Quantumcomputers worden beschouwd als de computers van de toekomst. Grote hoeveelheden data kun je in principe veel sneller verwerken dan met de huidige klassieke computers. Terwijl klassieke computers stap voor stap uitvoeren, kwantumcomputers kunnen worden beschouwd als veel parallelle stappen, in het zogenaamde kwantumparallellisme. De informatiedrager voor de kwantumcomputer is de kwantumbit, qubit in het kort. Voor qubits zijn niet alleen de toestanden "0" en "1" relevant, maar ook de staten daartussenin, de kwantummechanische superpositie van toestanden. Hun verwerking gebeurt volgens kwantummechanische principes, zoals verstrikking, die directe correlaties tussen qubit-toestanden en willekeurige lange afstanden behoudt.

"Qubits produceren die klein genoeg zijn en snel genoeg kunnen worden geschakeld om kwantumberekeningen uit te voeren, is een enorme uitdaging, " legt natuurkundige Dr. Ioan Pop uit, Hoofd van de onderzoeksgroep Kinetic Inductance Quantum Systems van het Physics Institute (PHI) en het Institute of Nanotechnology (INT) van het KIT. Een veelbelovende optie zijn supergeleidende circuits. Supergeleiders zijn materialen die bij extreem lage temperaturen geen elektrische weerstand hebben, daarom geleiden ze elektriciteit zonder verliezen. Dit is cruciaal om de kwantumtoestanden te behouden en qubits soepel met elkaar te verbinden, wat resulteert in een hogere rekenkracht. Grote bedrijven zoals IBM, Intel, Microsoft en Google werken aan het opschalen van supergeleidende kwantumprocessors.

Een grote moeilijkheid, echter, is het handhaven van de kwantumtoestand. Interacties met de omgeving kunnen leiden tot het verval van de kwantumtoestand, de zogenaamde decoherentie. Hoe meer qubits worden gebruikt, hoe moeilijker het is om de samenhang te bewaren. Onderzoekers van het PHI, INT en IPE van KIT en de Nationale Universiteit voor Onderzoek en Technologie MISIS in Moskou hebben nu voor het eerst aluminiumkorrels gebruikt als supergeleidend materiaal voor qubits met hoge coherentie. Zoals de wetenschappers in het tijdschrift rapporteren Natuurmaterialen , ze maten een grAl fluxonium-qubit met een coherentietijd van maximaal 30 microseconden - dit is de tijd waarin de qubit in een toestand tussen "0" en "1" kan blijven. Deze tijd klinkt misschien kort, maar het is eigenlijk bemoedigend lang vergeleken met de typische tijd van 0,01 microseconde die nodig is voor de qubit-bewerking. "Onze resultaten laten zien dat granulair aluminium onderzoekspaden kan openen voor een nieuwe klasse van complexe qubit-ontwerpen en kan helpen de huidige beperkingen van kwantumcomputers te overwinnen, " legt Dr. Ioan Pop van het KIT uit.